Pathogenesis of Klebsiella pneumoniae infections: comparison of virulence between susceptible and multi-drug resistant isolates and impact on antimicrobial treatment

Background: Apart from inadequate antimicrobial treatment, specific virulencefactors contribute to the high attributable mortality of infections caused by multidrug-resistant (MDR) Klebsiella pneumoniae. We explored the role of MDR and of clone as virulence determinants of K. pneumoniae and their interaction with innate immunity. Methods: Twenty isolates were studied and characterized by resistance phenotype and multilocus sequence type (MLST). Human peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) were stimulated for the production of proinflammatory cytokines by live and heat-killed isolates and plasmid DNA; modulation by cellular pathways inhibitors was explored. Survival of thirty mice was recorded after intraperitoneal challenge with susceptible and K. pneumoniae carbapenemase (KPC)-producing isolates. Splenocytes of mice were stimulated for the production of pro- and anti-inflammatory cytokines. Results: Isolates were divided into different patterns of production of tumor necrosis factor-alpha (TNFα) and interleukin (IL)-1β poststimulation, in relation to both MLST clone and resistance phenotype. Sequence type (ST) 383 clone producing Verona integron-encoded metallo-beta-lactamase (VIM) stimulated high production of both TNFα and of IL-1β. Clone ST17 producing KPC elicited low TNFα production; this was reversed by Toll-like receptor 9 (TLR9) antagonists indicating an effect of plasmid DNA. This isolate was linked with early death of mice compared to high TNFα-producing isolates. Conclusions: KPC-producing isolates seem to be highly virulent in a low TNFα-release environment, suggesting an immunoparalysis induction mechanism. KPC plasmids may directly contribute to the immune system stimulation.Σκοπός: Εκτός από την ανεπαρκή αντιμικροβιακή αγωγή, ειδικοί λοιμογόνοι παράγοντες συμβάλλουν στην υψηλή θνητότητα των λοιμώξεων που προκαλούνται από πολυανθεκτικά στελέχη Klebsiella pneumoniae. Εξετάσαμε το ρόλο της πολυαντοχής και του κλώνου ως παράγοντες λοιμογονικότητας των στελεχών Κ. pneumoniae και την αλληλεπίδρασή τους με τη μη ειδική ανοσία. Μέθοδοι: Είκοσι στελέχη Κ. pneumoniae μελετήθηκαν και τυποποιήθηκαν με βάση το φαινότυπο αντοχής και την αλληλούχιση πολλαπλών γενετικών τόπων (MLST). Ανθρώπινα μονοπύρηνα περιφερικού αίματος διεγέρθηκαν για την παραγωγή προφλεγμονωδών κυτταροκινών με ζωντανά και θερμικώς εξασθενημένα μικρόβια, καθώς και με πλασμιδιακό DNA. Διερευνήθηκε η διαφοροποίηση στην παραγωγή κυτταροκινών χρησιμοποιώντας αναστολείς διαφόρων κυτταρικών μονοπατιών. Η επιβίωση τριάντα μυών καταγράφηκε μετά από ενδοπεριτοναϊκή πρόκληση με ευαίσθητα στελέχη και με στελέχη που παρήγαγαν Κ. pneumoniae καρβαπενεμάσες (KPC). Σπληνοκύτταρα μυών διεγέρθηκαν για την παραγωγή προ- και αντι-φλεγμονωδών κυτταροκινών. Αποτελέσματα: Τα στελέχη ομαδοποιήθηκαν σε διαφορετικά πρότυπα παραγωγής του παράγοντα νέκρωσης των όγκων-άλφα (TNFα) και τηςιντερλευκίνης (IL)-1β, σε σχέση με τον MLST κλώνο και το φαινότυπο αντοχής. Ο κλώνος ST383 που παρήγαγε μεταλλο-β-λακταμάση (τύπου VIM) διήγειρε υψηλή παραγωγή TNFα και IL-1β. Ο KPC κλώνος ST17 προκάλεσε χαμηλή παραγωγή TNFα. Αυτό αντιστράφηκε παρουσία του ανταγωνιστή του υποδοχέα τύπου Toll-9 (TLR9), που υποδηλώνει επίδραση του πλασμιδιακού DNA. Το ίδιο στέλεχος προκάλεσε το θάνατο των μυών πρωιμότερα σε σύγκριση με τα στελέχη με υψηλή παραγωγή ΤΝFα. Συμπεράσματα: Τα στελέχη K. pneumoniae που παράγουν KPC φαίνεται πωςείναι εξαιρετικά λοιμογόνα σε ένα περιβάλλον χαμηλής παραγωγής ΤΝFα, υποδεικνύοντας, πιθανώς, έναν μηχανισμό επαγωγής ανοσοπαράλυσης. Τα πλασμίδια που φέρουν τα KPC γονίδια μπορεί να συμβάλλουν άμεσα στη διέγερση του ανοσοποιητικού συστήματος